基于APD阵列的3D激光雷达

合集下载

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像。

激光雷达在三维成像领域具有重要的应用,它通过激光束扫描目标物体来获取其三维表面信息。

传统的激光雷达系统在三维成像时需要进行全息扫描,这种方式虽然能够获得高精度的三维信息,但是扫描速度较慢,对实时应用有一定的限制。

基于线状阵列扫描的激光雷达则能够实现快速的三维成像,本文将重点介绍该技术的原理、优势及应用。

一、原理基于线状阵列扫描的激光雷达通过在垂直方向上安装一排光电探测器,然后通过控制激光束在水平方向上进行快速扫描,最终实现对目标物体的三维成像。

具体原理如下:1. 光电探测器阵列在垂直方向上安排一排光电探测器,通常是由几十甚至上百个探测器组成。

这些探测器在接收激光束照射后会测量激光反射的时间和强度,从而获取目标物体的三维表面信息。

2. 激光束扫描利用控制系统控制激光束在水平方向上进行快速扫描,通常采用微型扫描镜或者旋转棱镜等设备来实现。

激光束扫描的速度通常可以达到几千次/秒,从而实现了快速的成像速度。

3. 数据融合在光电探测器阵列接收到激光反射的信号后,通过对这些数据进行融合处理,可以获得目标物体的三维表面信息。

通过各个探测器接收到的激光反射信号的时间和强度信息,可以计算出目标物体在空间中的位置和形状,从而实现快速的三维成像。

二、优势基于线状阵列扫描的激光雷达具有以下几点优势:1. 快速成像相比传统的全息扫描方式,线状阵列扫描能够实现快速的三维成像,成像速度通常可以达到每秒数百次,甚至上千次,适用于对目标物体进行实时监测和测量的应用。

2. 高分辨率借助大量的光电探测器和快速扫描的激光束,线状阵列扫描能够获得高分辨率的三维成像结果,对于细节要求较高的应用有很好的效果。

3. 省能耗由于激光束只在水平方向上进行扫描,相比全息扫描方式省去了大量的能量和时间,因此能够有效节省能耗和提高系统的稳定性和寿命。

三、应用基于线状阵列扫描的激光雷达在工业、军事、自动驾驶等领域具有广泛的应用前景,如下所示:1. 工业领域在工业生产中,可以利用线状阵列扫描的激光雷达进行快速的三维测量和成像,用于产品的质量检测、表面缺陷检测等方面。

基于APD阵列三维成像激光雷达信噪比分析

基于APD阵列三维成像激光雷达信噪比分析
1550 nm 波长单光子探测器
[ 5, 7 ]
式中 , J drk 是 单 位 面 积 暗 电 流 ; A det 是 探 测 器 有 效 面积 。
3. 4 热噪声电流
。仿真中的 APD 采
热噪声是电阻中电子的热运动引起的噪声电 流 , 热噪声电流为 :
in l =
用美 国 voxtel 公 司 的 VGG2GAK N IR Geiger2 Mode
第 40 卷 第 2 期 激光与红外 2010 年 2 月 LASER & I N FRARED
Vol . 40, No. 2 February, 2010
文章编号 : 1001 2 5078 (2010) 02 2 0132 2 04
2 基于 APD 阵列三维成像激光雷达系统
[1]

图 1 基于 APD 阵列三维成像激光雷达系统工作原理
APD 阵列的信噪比和探测概率影响因素和变化规
基于 APD 阵列三维成像激光雷达系统工作原 理如图 1 所示 ,脉冲激光经发射光学系统扩束后照 射到目标场景上 ,接收光学系统收集回波信号光并
基金项目 : 航空科学基金项目 (No. 20070151002) ; 预研基金项 目 (No. 9140A01010108HK0128) 资助 。 作者简介 : 任熙明 ( 1985 - ) , 男 , 硕士研究生 , 主要从事激光成 像 ,光电探测 ,图像处理等方面研究 。 E 2 mail: rxmbit@ gmail . com 收稿日期 : 2009 2 08 2 12; 修订日期 : 2009 2 09 2 24
[1] 激光雷达系统信噪比可由公式 ( 6 )表示 :
EL
2
β β RλA rec Tem it Trecσ scr

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像作者:曹家军许保瑜来源:《科技风》2020年第13期摘;要:本文介绍了一种线扫描快速扫描三维激光雷达成像仪。

线阵激光雷达的系统结构和工作原理。

从一个单元开始,根据对激光束发射和接收光路的分析,利用光学原理和解析几何方法,推导了一种严格的线阵激光雷达成像方案。

计算公式,分析影响激光雷达成像质量的内外因素,现场试验表明,在30m的距离上,该仪器的工作原理是距离分辨率可达5cm,探测直径大于8cm目标,平面拟合后残差的标准差约为5cm。

关键词:遥感;激光扫描;三维成像;线阵1 绪论基于线状阵列扫描的激光雷达最近已成为距离测量和3D图像采集的重要方法。

许多研究小组已经使用了一个雪崩光电二极管(GmAPD)作为在3D成像激光雷达系统的检测器,由于其非常高的检测灵敏度和一个简单的读出集成电路。

但是,当在3D成像雷达系统中使用GmAPD时,存在一些缺点。

首先,由耗尽区中的热噪声引起的暗计数在信号处理阶段会产生错误警报。

其次,GmAPD与光强度无关,表明它无法区分信号和噪声。

因此,在使用GmAPD获得清晰3D图像的雷达系统中,噪声消除过程至关重要。

麻省理工学院林肯实验室开发了具有GmAPD的3D成像激光雷达系统。

他们的3D成像雷达系统是紧凑,轻便的系统,具有出色的性能。

但是,它会产生大量噪点,因此需要大量时间才能去除清晰的3D图像的噪点,因为这是通过一系列图像处理算法完成的。

对于清晰的3D图像,去除噪声的阶段是必不可少的。

因此,我们开发了一种低噪声3D 成像激光雷达系统,该系统可以通过减少两次原始测量的飞行时间(TOF)数据的采集阶段,减少误报,从而以快速的采集速度获得清晰的3D图像。

1×8GmAPD阵列。

2 低噪声三维成像激光雷达系统雷达系统分为两部分:其硬件和软件。

图1显示了雷达系统的示意图。

激光脉冲从光源发出并穿过光学系统。

一小部分激光脉冲用于生成起始信号,其余的激光脉冲照射到目标上。

线阵扫描三维成像激光雷达系统

线阵扫描三维成像激光雷达系统

线 阵扫 描 三 维 成 像 激 光 雷 达 系统
唐 铂 , 李振 华 , 王春 勇 , 来建 成 , 严 伟
( 南京 理工大学理学 院 , 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 )

要: 针 对小 型智 能机 动平 台对 三维 成像 激光 雷达 小 型化 、 低功耗、 高精度 、 快速 成像 的特定
3 D i ma g i n g l a s e r r a d a r ba s e d o n l a s e r a r r a y a n d APD a r r a y
T ANG B o, L I Z h e n — h u a , W ANG Ch u n — y o n g, L AI J i a n — c h e n g , YAN We i ( S c h o o l o f S c i e n c e , N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 , C h i n a )
Ab s t r a c t : A l i n e a r — s c a n n i n g 3 D i ma g i n g l a s e r r a d a r s y s t e m b a s e d o n l a s e r a r r a y a n d AP D a r r a y i s d e s i g n e d t o me e t
t h e a p p l i c a t i o n o f s ma l l i n t e l l i g e n t mo b i l e p l a t f o r m, w h i c h r e q u i r e s t h e l a s e r r a d a r s y s t e m wi t h s ma l l — s c a l e, l o w p o we r

基于盖革模式APD阵列的单

基于盖革模式APD阵列的单
在这种工作模式下雪崩二极管接收到一个光子 的话,就会发生雪崩现象,使电流达到最大值,这个过 程一般是瞬态的(一般不到1ps),这样就可以在极短 的时间内对光子进行计数。
• 盖革模式的APD具备单光子探测功能,因而可以 通过计算激光发射时间和接收到返回光子的时 间间隔得到被测目标的距离信息。
• 由于雪崩过程的自持性,外界杂散光的影响和 APD本身随机产生的暗计数会对被误判为激光回 波信号,对测距的稳定性和精度造成很大的影 响,采用有源抑制方式的APD阵列则可以很好地 解决这些问题
Pt−M∆t)
2.2 测距分析
光子计数激光雷达通过测量脉冲发射和返回 的 时间间隔来得到目标距离,距离的准确度主 要取决于返回时刻确定的准确度
若将脉冲宽度内划分为一系列的定间隔时间 片
则有:
Sp =
Sτi
i=0
利用质心算法可以得到目标距离的准确值:
C RC = 2
基于盖革模式APD阵列的单脉 冲3D激光雷达原理和技术
李 琦,迟 欣,王 骐 哈尔滨工业大学光电子技术研究所
• 一,盖革模式APD及其测距原理
• 二,基于盖革模式APD阵列激光雷达的 工作原理
• 三,第三代基于盖革模式APD阵列的3D 激光雷达系统构成及测距效果
一,盖革模式APD及其测距原理
盖革模式:反向偏压超过击穿电压 反向加的偏压越大,则电流增长的越快
有源抑制:通过反馈使在一次雪崩电流产生后降 低偏置电压终止雪崩,然后再自动升高偏置电压 等待下一次雪崩的发生,从而达到计数的目的
二,基于盖革模式APD阵列激光雷达 的工作原理
2.1 探测分析
信号平均
Sp
=
Et
λ hc ρ cos θtar
Ar R2

GmAPD激光雷达脉冲累积探测性能的研究

GmAPD激光雷达脉冲累积探测性能的研究

硕士学位论文Gm-APD激光雷达脉冲累积探测性能的研究RESEARCH ON THE DETECTION PERFORMANCE OF Gm-APD LASER RADAR WITH PULSE ACCUMULATED DETECTION徐璐哈尔滨工业大学2012年7月国内图书分类号:O439 学校代码:10213 国际图书分类号:535 密级:公开理学硕士学位论文Gm-APD激光雷达脉冲累积探测性能的研究硕士研究生:徐璐导师:张宇教授申请学位:理学硕士学科:光学所在单位:理学院答辩日期:2012年7月授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: O439U.D.C: 535Dissertation for the Master Degree in ScienceRESEARCH ON THE DETECTION PERFORMANCE OF Gm-APD LASER RADAR WITH PULSE ACCUMULATED DETECTIONCandidate:Lu XuSupervisor:Prof. Yu ZhangAcademic Degree Applied for:Master Degree in Science Speciality:OpticsAffiliation:School of ScienceDate of Defence:July, 2012Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology摘要随着科技的发展,激光雷达在军事、天文、工业等诸多领域均有广泛应用,已成为高科技领域的研究重点之一。

Gm-APD(Geiger-Mode of Avalanche Photodiodes)具有单光子灵敏度,因此其在高精度、远距离的弱信号探测中具有很大的优势。

基于Gm-APD阵列的三维成像激光雷达近十年来发展十分迅速。

基于APD阵列的三维激光成像系统及方法

基于APD阵列的三维激光成像系统及方法

基于APD阵列的三维激光成像系统及方法
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(10)申请公布号
CN105242281B
(43)申请公布日2017.10.20(21)申请号CN201510555861.0
(22)申请日2015.09.01
(71)申请人西安交通大学
地址710049 陕西省西安市咸宁路28号
(72)发明人孙剑;刘倩玉
(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所
代理人何会侠
(51)Int.CI
权利要求说明书说明书幅图
(54)发明名称
基于APD阵列的三维激光成像系统及方法
(57)摘要
基于APD阵列的三维激光成像系统及
方法,该系统包括激光发射器,固定在激光
发射器出光端的半透半反镜,固定于半透半
反镜透射光路上的达曼光栅,目标物体固定
于达曼光栅出光端,固定于目标物体反射光
路上的第一汇聚透镜,固定于第一汇聚透镜
汇聚光路上的数字微镜器件DMD,固定于数
字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透
镜,固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的8*8
的APD阵列探测器;固定于半透半反镜反射
光路上的第三汇聚透镜,固定于第三汇聚透。

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像【摘要】本文介绍了基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像技术。

在首先概述了激光雷达技术的发展背景,接着介绍了线状阵列扫描技术及快速三维成像的重要性。

在详细解释了线状阵列扫描的工作原理,并阐述了基于该技术的激光雷达系统构架、数据处理方法,以及成像效果分析和应用领域探讨。

在总结了基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像的优势,展望了未来发展方向。

本文系统地阐述了基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像技术的重要性和优势,对相关领域的研究和应用具有一定的参考价值。

【关键词】激光雷达技术发展、线状阵列扫描、快速三维成像、工作原理、系统构架、数据处理、成像效果、应用领域、优势、未来发展、总结。

1. 引言1.1 激光雷达技术发展背景激光雷达技术是一种基于激光原理进行距离测量的技术,是近年来快速发展的一种先进传感器技术。

激光雷达具有高精度、高分辨率、远距离测量等优势,在工业、军事、地质勘探等领域有着广泛的应用。

随着科技的不断进步和需求的不断增长,激光雷达技术也在不断完善和升级。

过去的激光雷达大多采用旋转镜子或多个激光器进行扫描,这种方式虽然可以获取三维信息,但扫描速度较慢,限制了其在实时应用中的效果。

基于线状阵列扫描的激光雷达技术应运而生,通过线性扫描的方式可以大大提高扫描速度,实现快速三维成像,具有巨大的应用前景和发展潜力。

基于线状阵列扫描的激光雷达技术正在逐渐成为激光雷达领域的一个重要研究方向,对于推动激光雷达技术的发展和应用具有重要意义。

1.2 线状阵列扫描技术简介线状阵列扫描技术是一种激光雷达系统中常用的扫描技术之一,其通过使用一维的传感器阵列在水平方向进行扫描,可以实现快速高效的三维成像。

相比于传统的旋转扫描方式,线状阵列扫描技术具有更快的扫描速度和更高的分辨率,能够在较短的时间内获取更多的数据信息。

线状阵列扫描技术通过在一个平面上排列多个传感器单元,同时对目标进行光束扫描,从而实现对整个场景的有效覆盖。

基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统[发明专利]

基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711068865.1(22)申请日 2017.11.03(71)申请人 长春理工大学地址 130000 吉林省长春市朝阳区卫星路7089号(72)发明人 王春阳 史红伟 牛启凤 刘雪莲 辛瑞昊 (74)专利代理机构 长春菁华专利商标代理事务所(普通合伙) 22210代理人 陶尊新(51)Int.Cl.G01S 17/89(2006.01)G01S 7/481(2006.01)(54)发明名称基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统(57)摘要基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统,涉及雷达工程领域,本发明为解决现有成像技术单一,无法同时满足远距离、大视场与高帧频、高分辨率成像的需求等问题,本发明能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式,且两种工作模式既能够独立工作,又能够同步协调工作;包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统;激光发射系统包括激光器模块、第一发射系统、第二发射系统,回波接收系统包括第一接收系统和第二接收系统;本发明采用光学相控阵作为光束偏转器件,有效的减小了系统的体积。

采用盖革模式APD阵列作为光电探测接收器件,实现更远距离的探测,以及获取更高的距离分辨率。

权利要求书2页 说明书4页 附图4页CN 107589428 A 2018.01.16C N 107589428A1.基于多面阵APD阵列的复合模式激光成像雷达系统,所述成像雷达系统能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式,且两种工作模式既能够独立工作,又能够同步协调工作;其特征是,包括中央处理单元(6)、激光发射系统和回波接收系统;所述激光发射系统包括激光器模块(1)、第一发射系统(2)、第二发射系统(3),第一发射系统(2)包括相位调制器阵列、光纤放大器阵列、准直扩束光路阵列、单向玻璃阵列和光学相控阵阵列;第二发射系统(3)包括相位调制器(3-1)、光纤放大器(3-2)、准直扩束光路(3-3)、单向玻璃(3-4)和光学相控阵(3-5);所述回波接收系统包括第一接收系统(4)和第二接收系统(5);所述第一接收系统(4)包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、多组淬火电路和第一距离测量单元;第二接收系统(5)包括滤光片(5-1)、双胶合透镜(5-2)、面阵APD(5-3)、淬火电路(5-4)和第二距离测量单元(5-5);所述中央处理单元(6)向激光器模块(1)发送控制信号,向激光发射系统发送驱动信号;激光器模块(1)接收到中央处理单元(6)发送的控制信号后发射多束激光,所述多束激光分别经第一发射系统(2)的相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束光路阵列后经单向玻璃阵列进入光学相控阵阵列,所述第一发射系统(2)中的光学相控阵阵列根据接收的驱动信号控制多束激光偏转并对目标区域进行电光扫描;多束激光经过目标区域反射后,再次经过光学相控阵阵列、单向玻璃阵列反射至第一接收系统,多束激光分别经过滤光片阵列和双胶合透镜阵列后汇聚到面阵APD阵列的感光面上,所述面阵APD阵列将接收的多束激光的光信号转换成电信号,经对应的淬火电路后由第一距离测量单元计算目标区域的距离信息,并传递至中央处理单元(6);所述中央处理单元(6)根据多束激光偏转角度信息以及目标区域的距离信息,获得目标的空间位置坐标,并进行三维图像重构,实现雷达系统扫描成像。

基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析

基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析

基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析方照勋;张华;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【摘要】针对基于盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)阵列的激光雷达,提出一种分析其探测性能的方法.以分析单个Gm-APD像元产生的初始光电子和暗计数噪声为基础,对Gm-APD像元的探测概率、虚警概率和漏警概率进行研究,并进一步提出一种多脉冲阚值探测法,并对其探测概率、虚警概率进行了研究和仿真.结果表明,对2~10 km外的目标,采用128×128像元面阵探测器,单脉冲能量小于200 mJ 时,探测概率随脉冲能量提高而提高;单脉冲能量大干200 mJ时,探测概率保持不变;当采用多脉冲阈值探测、信号较弱时,探测概率总是随脉冲能量提高而提高,虚警概率总是随脉冲能量提高而降低.%This paper introduces a method for analyzing the performance of laser radar based on Geiger-mode avalanche photodiode(APD) array. The detection probability, false-alarm probability and miss alarm probability are researched by analyzing the creation of primary photon electronics and dark count rate noise. Further more,the method of threshold detection with multiple-pulses are proposed, of which the detection probability and false probability are researched and simulated. For a target at a distance of 2 km to 10 km and the 128 x 128 Geiger-mode APD array, the detection probability of the ladar system can be improved as the pulse energy increasing, while the pulse energy should less than 200 mJ. When the pulse energy is above 200 mj,the detection probability is constant. For the threshold detection with multiple-pulses,the detection probability of the ladar system can be improved asthe pulse energy increasing, and the false-alarm probability can be reduced as the pulse energy increasing.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)010【总页数】6页(P1092-1097)【关键词】三维成像;激光雷达;盖革模式;雪崩光电二极管;探测概率;虚警概率【作者】方照勋;张华;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【作者单位】西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN249;TN958.981 引言相比于传统的二维强度图像,三维激光成像雷达能提供更多的目标信息,比如距离、位置、姿态等,这在地形匹配、直升机避障、激光制导等方面有广阔的应用前景。

采用 APD 阵列的共口径激光成像光学系统设计

采用 APD 阵列的共口径激光成像光学系统设计

采用 APD 阵列的共口径激光成像光学系统设计于潇;姚园;徐正平【摘要】To meet the requirements of light and small laser 3D imaging system on airborne platforms,a co-aperture laser transceiver optical system is designed employing APD array.On the basis of a brief analysis of the imaging system illumination pattern and optical system structure,the laser 3D imaging system block dia-gram is given as following:the laser beam can pass through a diffraction element to achieve beam splitting and the mirror with a hole in the middle is used to achieve coupledlaunching/transmitting optical path.The optical system is used for three-dimensional imaging within a distance of 2 km,and the receiving optical system pa-rameters are determined according to the laser operating range equation to obtain enough echo energy to satisfy the noise ratio.In order to avoid crosstalk between pixels,beam expander of five times is designed.Finally, the stray light is diminished to reduce the impact of the emitted light path on receiving light path by combining the polaroid and quarter-wave plate.The results indicate that the receiving optics has a diffuse spot diameter less than 120 μm and distortion less than 0.2%.The whole optical system could be an example for the similar design with small size,light weight and fine imaging quality.%针对机载平台激光3D 成像系统的轻小型需求,设计了采用 APD 阵列的共口径激光收发光学系统。

3D激光雷达系统设计与应用

3D激光雷达系统设计与应用

3D激光雷达系统设计与应用激光雷达是一种高精度、高分辨率的测量工具,被广泛应用于遥感、地质测量、自动驾驶等领域。

随着技术的不断发展,3D 激光雷达系统的设计与应用成为研究的热点。

3D激光雷达系统由激光发射器、接收器、扫描器和数据处理单元等组成。

激光发射器发出的激光束经过扫描器进行水平和垂直扫描,然后被目标物体反射回来,接收器接收到反射回来的激光并转化为电信号。

数据处理单元对接收到的信号进行处理和分析,从而得到目标物体的距离、位置和形状等信息。

3D激光雷达系统的设计需要考虑多个方面的因素。

首先是激光发射器的选择,需要选择合适的激光器类型和参数,以保证发射的激光束具有足够的功率和精度。

其次是扫描器的设计,需要考虑扫描的范围和速度,以及扫描器的机械稳定性和耐用性。

还需要考虑接收器的灵敏度和动态范围,以及数据处理单元的算法和计算能力等。

3D激光雷达系统的应用十分广泛。

在遥感领域,激光雷达可以获取地表的高程和形状信息,用于地形测量和地质勘探。

在自动驾驶领域,激光雷达可以实时获取道路和障碍物的距离和位置信息,用于智能车辆的导航和避障。

在工业制造领域,激光雷达可以用于三维扫描和测量,用于产品质量控制和制造过程的优化。

然而,3D激光雷达系统还存在一些挑战和问题。

首先是成本问题,高精度的激光雷达系统价格昂贵,限制了其在一些应用领域的推广。

其次是数据处理问题,大量的数据需要进行实时处理和分析,对数据处理单元的算法和计算能力提出了更高的要求。

此外,环境干扰也是一个需要解决的问题,例如雨雪天气和强光照射都会对激光雷达的测量精度产生影响。

综上所述,3D激光雷达系统的设计与应用是一个复杂而有挑战性的课题。

随着技术的不断进步和创新,相信激光雷达系统将在更多的领域发挥重要作用,为我们的生活和工作带来更多便利和进步。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
The following paper will elaborate on the existing Lincoln efforts dedicated to 3-D laser radar technologies and applications.
GEIGER-MODE INTEGRATED APD DETECTOR ARRAY DEVELOPMENT
far into saturation. The current pulse out of the device becomes very reproducible and can be used to trigger digital timing circuitry directly. Effectively, the device becomes sensitive to a single photon and the output is noiseless, except for fundamental shot noise. The saturation of the device from more than one photoelectron being generated in the absorption region can be addressed by limiting the signal level to an average of less than a photoelectron per laser pulse and looking statistically at the number of detections per number of laser pulses. This represents the most sensitive form of optical measurement in which every photon is counted.
t First Photon Arrival Time Figure 1: Geiger-mode APD arrays bonded to CMOS timing circuitry.
Once the APD "fires", or breaks down due to the runaway avalanche process, a well-defined voltage pulse is generated that can directly toggle CMOS digital circuitry. As can be seen from Figure 1, each pixel of the APD array has an associated timing register. This is achieved by bonding the APD array to an array of CMOS timing circuitry. A block diagram of the timing circuit for each pixel is shown in Figure 2. The counter in the timing circuit consists of a 15-bit register with positive feedback. This configuration will count through a sequence of 215-1 psuedo-random numbers. Since the exact sequence is known, the random number can be decoded during readout with a simple lookup table to produce a count. The advantage to this type of counter is that it can be realized with a minimum of circuitry. Two effective bits of timing resolution are added by recording the clock state and a 90-degree phase-shifted version of the clock. Thus, 0.5-ns timing resolution can be achieved with a 500-MHz clock. The sequence of events for a 3-D measurement then involves sending out a laser pulse to flood-illuminate the field of view of the detector. A short time before the backscattered return from the target arrives at the receiver the pixel clocks are turned on by broadcasting a common clock to each of the pixel counters. As the photons arrive and cause the APD’s to fire they latch and save the associated time as the count in the pixel timing register and the associated vernier bits. Finally, the digital values from each of the registers are read out in a serial fashion and the decoded time values are used to produce the 3-D image.
An overview of the silicon Geiger-mode detector array configuration and development has been reported in earlier publications.1-2 The basic configuration of the detector array is shown in Figure 1. The integrated focal plane consists of an array of Geiger-mode APD detectors epoxy bonded to a commensurate array of CMOS timing circuitry. Each hybrid pixel then contains a Geiger-mode APD and a timing circuit. The Geiger-mode APD can be thought of as a photodiode whose back bias voltage actually exceeds the level at which the detector will bread down. When photoelectrons are generated at the device junction due to the absorption of one or more signal photons (in practice, the devices have separate absorption and avalanche regions) they are accelerated in the electric field from the bias voltage. In the case of a "linear"-mode APD, the photoelectrons are accelerated enough to knock more electrons from the lattice and the total number of photoelectrons increases, resulting in gain. In a Geiger-mode device, the gain is so high that enough photoelectrons are generated to cause the device to breakdown and allow a large current to flow until any capacitance across the device is discharged. The advantage to this mode of operation is that variations in the gain from pixel to pixel or as a function of operating parameters or just due to statistical variations become irrelevant, since the device is driven
Avalanche-photodiode array
APD CMOS Timing Circuitry

External Clock
100 µm
Timing-circuitry array
APD Active Area
Timing Register
Photon Arrival Time
VOUT
Threshold
* This research is sponsored by the U.S. Air Force under Contract F19628-00-C-0002. † The views expressed are those of the authors and do not reflect the official policy or position of the U.S. government. ‡ email: heinrichs@; phone: 781-981-7945; fax: 781-981-5069
相关文档
最新文档